任海波,余 波,王 奎,王羅斌

(1.西華大學(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610039;2.西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,四川 成都 610039)

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出,中國(guó)水電發(fā)展迎來(lái)了新的機(jī)遇?；炝魇剿啓C(jī)向大容量、高比轉(zhuǎn)速、高效率方向發(fā)展,與此同時(shí),機(jī)組運(yùn)行安全穩(wěn)定性問(wèn)題日益突出,其中尾水管渦帶引起的壓力脈動(dòng)是導(dǎo)致機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)的原因之一[1]?；顒?dòng)導(dǎo)葉是導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中重要的過(guò)流部件,具有調(diào)節(jié)水輪機(jī)功率和關(guān)閉轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流的作用,水輪機(jī)通過(guò)控制活動(dòng)導(dǎo)葉的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)流量及水流環(huán)量,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)整水輪機(jī)出力的目標(biāo)[2-3]。

早期國(guó)內(nèi)一些學(xué)者采用PIV技術(shù)對(duì)水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)開(kāi)展研究并取得一些重要成果。李丹等[4]采用PIV技術(shù)對(duì)水輪機(jī)尾水管錐管內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量,并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到了尾水管錐管內(nèi)流線圖和速度分布圖。王軍等[5-7]采用2D-PIV測(cè)試技術(shù)對(duì)4H尾水管不同位置內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試,通過(guò)對(duì)尾水管測(cè)試位瞬態(tài)速度測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)均處理,得到了不同測(cè)試位置上內(nèi)流流動(dòng)的渦量、速度分布和流線分布,研究結(jié)果為尾水管內(nèi)部流動(dòng)CFD理論分析提供參考,驗(yàn)證了2D-PIV測(cè)試方法是水力機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)試的一種可靠手段。鄧萬(wàn)權(quán)[8]采用PIV技術(shù)對(duì)混流式模型水輪機(jī)尾水管進(jìn)行流場(chǎng)試驗(yàn),通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到了尾水管內(nèi)部流動(dòng)壓力及速度分布規(guī)律。

CFD數(shù)值模擬技術(shù)隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,在水輪機(jī)水力特性研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)方面得到廣泛應(yīng)用,許多學(xué)者利用數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)水輪機(jī)尾水管渦帶及壓力脈動(dòng)開(kāi)展了研究工作。史廣泰等[9]通過(guò)對(duì)不同水頭下混流式水輪機(jī)尾水管內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果發(fā)現(xiàn)尾水管負(fù)壓區(qū)的空化渦帶會(huì)導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生振動(dòng)。鄭源等[10]通過(guò)分析不同工況下貫流式水輪機(jī)內(nèi)部壓力脈動(dòng)特性,研究結(jié)果表明:尾水管渦帶是引起水輪機(jī)內(nèi)部低頻壓力脈動(dòng)的主要原因,并提出一種改善尾水管低頻脈動(dòng)的方案。朱李等[11-12]采用CFD仿真方法對(duì)長(zhǎng)短式葉片混流式水輪機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,分析發(fā)現(xiàn),導(dǎo)葉開(kāi)度增加時(shí),轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口流場(chǎng)會(huì)有所改善,同時(shí)尾水管內(nèi)渦旋流動(dòng)增強(qiáng),肘管段和擴(kuò)散段繞流增大。鐘林濤等[13]采用三維非定常雷諾時(shí)均法對(duì)混流式水輪機(jī)全流道進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果表明,轉(zhuǎn)輪出口旋流數(shù)大于臨界值時(shí)會(huì)導(dǎo)致尾水管產(chǎn)生螺旋形渦帶。王彤彤等[14]采用RANS-LES分析方法得到了混流式水輪機(jī)在變速運(yùn)行模式下的尾水管渦帶與壓力脈動(dòng)分布特性,研究結(jié)果可為水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行管理提供參考。張興等[15]通過(guò)對(duì)加長(zhǎng)泄水錐以及不同流量水力干擾3種改進(jìn)方案下的混流式水輪機(jī)全流道進(jìn)行非定常數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明,偏心回轉(zhuǎn)渦帶會(huì)誘發(fā)尾水管低頻壓力脈動(dòng),從而引起水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生振動(dòng),采用加長(zhǎng)泄水錐的方法可以減小尾水管處的偏心負(fù)壓區(qū)域,同時(shí)可以降低尾水管渦帶強(qiáng)度。郭濤等[16]采用滑移網(wǎng)格技術(shù)以及SST k-ω湍流模型對(duì)混流式水輪機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,研究結(jié)果表明:不同來(lái)流條件下的尾水管渦帶形態(tài)各異,螺旋形渦帶對(duì)尾水管內(nèi)部流場(chǎng)影響較大,尾水管渦帶呈現(xiàn)典型的低頻高幅特征。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)混流式水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)及壓力脈動(dòng)研究已較多,但大多數(shù)研究立足于理論分析,而理論分析與實(shí)際工程相結(jié)合的實(shí)踐研究較少[17-19]。本文在西南某電站擴(kuò)容改造的背景下,針對(duì)電站技術(shù)升級(jí)更換新轉(zhuǎn)輪后,采用CFD數(shù)值模擬技術(shù),基于SST k-ω湍流模型開(kāi)展水輪機(jī)三維全流道內(nèi)部流動(dòng)及壓力脈動(dòng)研究,通過(guò)對(duì)不同導(dǎo)葉開(kāi)度下尾水管內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行分析,并采用快速傅里葉變換(FFT)對(duì)尾水管各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,為該電站投產(chǎn)后水力發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行提供參考依據(jù)。

1 研究對(duì)象

1.1 水輪機(jī)基本情況

本文以西南某電站混流式水輪機(jī)為研究對(duì)象,水輪機(jī)型號(hào)為HLD126-LJ-145,轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)13個(gè),固定導(dǎo)葉數(shù)8個(gè),活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)16個(gè),額定轉(zhuǎn)速600 r/min,吸出高度-6.2 m,運(yùn)行最高水頭190 m,最低水頭130 m,額定水頭160 m。

1.2 模型建立及網(wǎng)格劃分

采用Unigraphics NX軟件建立混流式水輪機(jī)全流道計(jì)算域水體模型,水輪機(jī)過(guò)流部件包括蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪體和尾水管,各過(guò)流部件見(jiàn)圖1,建模時(shí)對(duì)蝸殼進(jìn)口和尾水管出口進(jìn)行合理延伸以獲得水輪機(jī)進(jìn)口和出口更為接近真實(shí)流場(chǎng)的邊界條件,通過(guò)精準(zhǔn)建模可以在后續(xù)數(shù)值計(jì)算中得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

采用ANSYS ICEM軟件對(duì)水輪機(jī)流體域分別進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,為更好地得到尾水管內(nèi)部流動(dòng)及壓力脈動(dòng)規(guī)律,對(duì)轉(zhuǎn)輪泄水錐及尾水管網(wǎng)格進(jìn)行局部加密以保證計(jì)算精度。通過(guò)對(duì)4套水輪機(jī)全流道計(jì)算域網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,最終選擇水輪機(jī)計(jì)算域總網(wǎng)格數(shù)為1.036×107的方案進(jìn)行計(jì)算。

2 研究方法

2.1 控制方程

流體運(yùn)動(dòng)的基本方程包括連續(xù)方程、運(yùn)動(dòng)方程和能量方程,水輪機(jī)的工作介質(zhì)為水,視為不可壓縮流體,不考慮熱量交換[20]。流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)方程為式(1):

(1)

運(yùn)動(dòng)方程為式(2):

(2)

式中V——流體速度;t——時(shí)間;ρ——流體密度;P——壓強(qiáng);μ——流體動(dòng)力黏性系數(shù);g——重力加速度;x——坐標(biāo);i、j——張量坐標(biāo)。

2.2 湍流模型選擇

文中采用SST k-ω模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,SST湍流模型實(shí)現(xiàn)了從邊界層內(nèi)部的k-ω 模型到邊界層外部的高雷諾數(shù)的k-ε 模型的逐漸過(guò)渡,同時(shí)SST湍流模型在預(yù)測(cè)近壁面流動(dòng)或逆壓梯度流動(dòng)等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[21-23],其方程為式(3)、(4):

(3)

(4)

式中κ——湍動(dòng)能;ω——湍流頻率;Pκ——湍動(dòng)能生成項(xiàng);α2——經(jīng)驗(yàn)系數(shù);μ——運(yùn)動(dòng)黏度;F1——混合函數(shù);σω2、σω3——經(jīng)驗(yàn)系數(shù);β3——經(jīng)驗(yàn)系數(shù);ρ——流體密度;t——時(shí)間。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

為獲得混流式水輪機(jī)尾水管在不同導(dǎo)葉開(kāi)度下的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù),分別在尾水管進(jìn)口中心處設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)[24],直錐段邊壁及中心位置處設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),彎肘段邊壁及中心位置處設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),擴(kuò)散段邊壁及中心位置處設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),圖2為尾水管監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況。

圖2 水輪機(jī)尾水管監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.4 邊界條件及計(jì)算設(shè)置

水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口采用壓力進(jìn)口,尾水管出口采用靜壓出口,壁面采用水力光滑、無(wú)滑移壁面。非定常流動(dòng)計(jì)算將定常流動(dòng)計(jì)算結(jié)果作為初始條件,以轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)3°的時(shí)間0.000 833 s為一個(gè)計(jì)算步長(zhǎng),轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)1周所用時(shí)間為0.1 s,當(dāng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)明顯的周期性時(shí)提取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

不同導(dǎo)葉開(kāi)度計(jì)算工況均采用160 m水頭,轉(zhuǎn)速為600 r/min,由表1計(jì)算結(jié)果可以看出,隨著導(dǎo)葉開(kāi)度每次增加35.5 mm,水輪機(jī)的流量大幅增加,轉(zhuǎn)矩和水輪機(jī)出力的增加幅度有所降低。為進(jìn)一步探究造成此現(xiàn)象的原因,對(duì)混流式水輪機(jī)尾水管內(nèi)部流動(dòng)及壓力脈動(dòng)進(jìn)行分析。

表1 水輪機(jī)額定水頭額定轉(zhuǎn)速下不同導(dǎo)葉開(kāi)度計(jì)算結(jié)果

3.1 不同導(dǎo)葉開(kāi)度下尾水管內(nèi)部流動(dòng)分析

a)不同導(dǎo)葉開(kāi)度下尾水管中間軸面壓力。圖3可知,在導(dǎo)葉開(kāi)度為71.0、106.5、142.0 mm時(shí),尾水管進(jìn)口區(qū)域存在低壓區(qū)并隨著導(dǎo)葉開(kāi)度的增加逐漸增大,同時(shí)尾水管內(nèi)壓力分布的均勻性隨著導(dǎo)葉開(kāi)度的增加而逐漸變差。當(dāng)導(dǎo)葉開(kāi)度最大時(shí),尾水管進(jìn)口負(fù)壓區(qū)呈現(xiàn)螺旋狀分布規(guī)律,因此在尾水管進(jìn)口段有空化渦帶的產(chǎn)生,尾水管渦帶導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng),進(jìn)而影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

a)35.5 mm導(dǎo)葉開(kāi)度

b)71.0 mm導(dǎo)葉開(kāi)度

c)106.5 mm導(dǎo)葉開(kāi)度

d)142.0 mm導(dǎo)葉開(kāi)度

b)不同導(dǎo)葉開(kāi)度下尾水管中間軸面速度流線。由圖4可知,當(dāng)導(dǎo)葉開(kāi)度為35.5 mm時(shí),尾水管內(nèi)整體流線分布較為均勻。隨著導(dǎo)葉開(kāi)度的增加,尾水管直錐段逐漸出現(xiàn)明顯的交替旋渦。當(dāng)導(dǎo)葉開(kāi)度為71.0 mm時(shí),尾水管直錐段和擴(kuò)散段均有旋渦產(chǎn)生,尾水管內(nèi)流態(tài)較為紊亂。當(dāng)導(dǎo)葉開(kāi)度為106.5、142.0 mm時(shí),尾水管直錐段中心區(qū)域出現(xiàn)較多的交替旋渦,低速渦帶會(huì)導(dǎo)致尾水管產(chǎn)生水壓力脈動(dòng),增加尾水管水力損失,進(jìn)而降低水輪機(jī)的運(yùn)行效率。流動(dòng)水流在混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出口具有圓周方向的速度分量,隨著導(dǎo)葉開(kāi)度的增加,當(dāng)水流進(jìn)入尾水管后極易在直錐段形成周期性螺旋偏心渦帶,誘發(fā)渦帶的壓力脈動(dòng)進(jìn)而影響水輪機(jī)的穩(wěn)定性。

a)35.5 mm導(dǎo)葉開(kāi)度

b)71.0 mm導(dǎo)葉開(kāi)度

c)106.5 mm導(dǎo)葉開(kāi)度

d)142.0 mm導(dǎo)葉開(kāi)度

c)不同導(dǎo)葉開(kāi)度下尾水管中間軸面速度。由圖5可知,流體流入尾水管后,由于水流有圓周方向的分速度,尾水管直錐段及彎肘段壁面附近的速度大于其中心處的速度,流體從尾水管擴(kuò)散段流出后的速度整體降低。隨著導(dǎo)葉開(kāi)度的增加,尾水管內(nèi)速度分布均勻性逐漸變差,內(nèi)部流動(dòng)逐漸出現(xiàn)紊亂,尾水管直錐段邊壁區(qū)域高速區(qū)增加且中心處出現(xiàn)低速區(qū),同一區(qū)域高速區(qū)與低速區(qū)的存在表明此區(qū)域易出現(xiàn)旋渦,因此在尾水管直錐段容易出現(xiàn)明顯的渦帶。尾水管出口處的水流速度較小,表明水輪機(jī)流道內(nèi)能量轉(zhuǎn)化比較充分,水流的動(dòng)能實(shí)現(xiàn)了較大限度的回收。

a)35.5 mm導(dǎo)葉開(kāi)度

b)71.0 mm導(dǎo)葉開(kāi)度

c)106.5 mm導(dǎo)葉開(kāi)度

3.2 尾水管進(jìn)口監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)分析

由圖6可知,尾水管進(jìn)口中心處壓力脈動(dòng)主頻幅值隨著導(dǎo)葉開(kāi)度的增加先增大后減小,在導(dǎo)葉開(kāi)度71.0、106.5、142.0 mm時(shí),壓力脈動(dòng)主頻f為0.98倍轉(zhuǎn)頻fn。監(jiān)測(cè)點(diǎn)DT1在導(dǎo)葉開(kāi)度35.5 mm時(shí),主頻幅值最小,壓力脈動(dòng)主頻f為13倍轉(zhuǎn)頻fn,13倍轉(zhuǎn)頻fn是轉(zhuǎn)輪葉片通過(guò)頻率。導(dǎo)葉開(kāi)度為106.5 mm時(shí),主頻幅值最大。結(jié)合圖6、4分析可知,隨著導(dǎo)葉開(kāi)度的增加,尾水管直錐段交替出現(xiàn)的旋渦逐漸增多,導(dǎo)致尾水管壓力脈動(dòng)強(qiáng)度增大,這與尾水管進(jìn)口監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)幅值隨導(dǎo)葉開(kāi)度增加而逐漸變大的規(guī)律是一致的。

圖6 尾水管進(jìn)口監(jiān)測(cè)點(diǎn)DT1壓力脈動(dòng)頻域

3.3 尾水管直錐段監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)分析

由圖7可知,尾水管直錐段壓力脈動(dòng)的主頻主要呈現(xiàn)為低頻脈動(dòng)的形式,直錐段邊壁位置壓力脈動(dòng)變化規(guī)律基本一致,在導(dǎo)葉開(kāi)度71.0 mm時(shí),尾水管直錐段邊壁位置壓力脈動(dòng)主頻幅值最大,壓力脈動(dòng)主頻f為0.98倍轉(zhuǎn)頻fn。監(jiān)測(cè)點(diǎn)DT2在導(dǎo)葉開(kāi)度35.5 mm時(shí),主頻幅值最小,壓力脈動(dòng)主頻f為13倍轉(zhuǎn)頻fn。監(jiān)測(cè)點(diǎn)DT3在導(dǎo)葉開(kāi)度106.5 mm時(shí),主頻幅值最小,壓力脈動(dòng)主頻f為13倍轉(zhuǎn)頻fn,在導(dǎo)葉開(kāi)度142.0 mm時(shí),主頻幅值最大。監(jiān)測(cè)點(diǎn)DT4在導(dǎo)葉開(kāi)度106.5 mm時(shí),主頻幅值最小,壓力脈動(dòng)主頻f為13倍轉(zhuǎn)頻fn。通過(guò)對(duì)圖7、4分析可知,當(dāng)導(dǎo)葉開(kāi)度為71.0 mm時(shí),尾水管內(nèi)流場(chǎng)分布與其他導(dǎo)葉開(kāi)度流場(chǎng)相比較為紊亂,導(dǎo)致尾水管壓力脈動(dòng)強(qiáng)度增大,此時(shí)尾水管直錐段監(jiān)測(cè)點(diǎn)低頻壓力脈動(dòng)幅值最大。

a)監(jiān)測(cè)點(diǎn)DT2

b)監(jiān)測(cè)點(diǎn)DT3

c)監(jiān)測(cè)點(diǎn)DT4

3.4 尾水管彎肘段監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)分析

由圖8可知,隨著導(dǎo)葉開(kāi)度的增加,尾水管彎肘段監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)主頻幅值先增大后減小,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在導(dǎo)葉開(kāi)度71.0 mm時(shí),主頻幅值最大,壓力脈動(dòng)主頻f為0.98倍轉(zhuǎn)頻fn。監(jiān)測(cè)點(diǎn)DT5在導(dǎo)葉開(kāi)度106.5 mm和DT7在導(dǎo)葉開(kāi)度142.0 mm時(shí),主頻幅值均最小,壓力脈動(dòng)主頻f均為13倍轉(zhuǎn)頻fn。監(jiān)測(cè)點(diǎn)DT6在導(dǎo)葉開(kāi)度35.5 mm時(shí),主頻幅值最小,壓力脈動(dòng)主頻f為0.98倍轉(zhuǎn)頻fn。圖8、4分析對(duì)比可知,隨著導(dǎo)葉開(kāi)度的增加,尾水管彎肘段中間區(qū)域旋渦逐漸增多,與之對(duì)應(yīng)的是彎肘段中間區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)DT6低頻壓力脈動(dòng)幅值逐漸增大。

c)監(jiān)測(cè)點(diǎn)DT7

3.5 尾水管擴(kuò)散段監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)分析

由圖9可知,尾水管擴(kuò)散段壓力脈動(dòng)主頻幅值隨著導(dǎo)葉開(kāi)度的增加整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),次主頻幅值的變化規(guī)律與主頻幅值一致。監(jiān)測(cè)點(diǎn)DT8在導(dǎo)葉開(kāi)度142.0 mm、DT9和DT10在導(dǎo)葉開(kāi)度106.5 mm時(shí),主頻幅值均最大,壓力脈動(dòng)主頻f均為0.98倍轉(zhuǎn)頻fn。監(jiān)測(cè)點(diǎn)DT8和DT10在導(dǎo)葉開(kāi)度35.5 mm時(shí),主頻幅值最小,壓力脈動(dòng)主頻f為0.98倍轉(zhuǎn)頻fn。監(jiān)測(cè)點(diǎn)DT9在導(dǎo)葉開(kāi)度71.0 mm時(shí),主頻幅值最小,壓力脈動(dòng)主頻f為13倍轉(zhuǎn)頻fn。圖9與圖4比較分析可知,隨著導(dǎo)葉開(kāi)度的增加,尾水管擴(kuò)散段流場(chǎng)流線分布由紊亂逐漸變得均勻,擴(kuò)散段監(jiān)測(cè)點(diǎn)低頻壓力脈動(dòng)幅值先增大后減小,與尾水管內(nèi)流場(chǎng)變化規(guī)律相對(duì)應(yīng)。

a)監(jiān)測(cè)點(diǎn)DT8

b)監(jiān)測(cè)點(diǎn)DT9

c)監(jiān)測(cè)點(diǎn)DT10

4 總結(jié)與展望

4.1 總結(jié)

運(yùn)用CFD數(shù)值模擬技術(shù),基于SST k-ω湍流模型進(jìn)行混流式水輪機(jī)三維全流道內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬,通過(guò)對(duì)不同導(dǎo)葉開(kāi)度下尾水管內(nèi)部流動(dòng)及壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論。

a)隨著導(dǎo)葉開(kāi)度的增加,尾水管進(jìn)口區(qū)域負(fù)壓區(qū)逐漸增大,尾水管內(nèi)壓力和速度由均勻分布逐漸變紊亂。在導(dǎo)葉開(kāi)度為142.0 mm時(shí),尾水管進(jìn)口區(qū)域負(fù)壓區(qū)呈現(xiàn)螺旋狀分布規(guī)律,表明在此區(qū)域形成了空化渦帶。不同導(dǎo)葉開(kāi)度下,尾水管直錐段及彎肘段壁面附近的速度大于其中心處的速度,流體從尾水管擴(kuò)散段流出后的速度整體降低。

b)當(dāng)活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)度處于小開(kāi)度時(shí),尾水管內(nèi)速度流線均勻分布,流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定。隨著導(dǎo)葉開(kāi)度的增加,尾水管直錐段逐漸出現(xiàn)明顯的交替旋渦。當(dāng)導(dǎo)葉開(kāi)度最大時(shí),尾水管直錐段中心區(qū)域出現(xiàn)較多的交替旋渦,低速渦帶會(huì)導(dǎo)致尾水管產(chǎn)生水壓力脈動(dòng),增加尾水管水力損失,進(jìn)而降低水輪機(jī)的運(yùn)行效率,后期電站應(yīng)避免水輪發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在壓力脈動(dòng)幅值較大的導(dǎo)葉開(kāi)度區(qū)域。

c)不同導(dǎo)葉開(kāi)度下尾水管進(jìn)口中心、直錐段、彎肘段、擴(kuò)散段壓力脈動(dòng)分析結(jié)果表明:尾水管壓力脈動(dòng)主要由尾水管渦帶引起,呈現(xiàn)出典型的低頻高幅特征。不同導(dǎo)葉開(kāi)度下,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)主頻f最大幅值主要出現(xiàn)在0.98倍轉(zhuǎn)頻fn位置處,部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)主頻f最大幅值出現(xiàn)在13倍轉(zhuǎn)頻fn(轉(zhuǎn)輪葉片通過(guò)頻率)位置處,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)主頻f最小幅值主要出現(xiàn)在13倍轉(zhuǎn)頻fn位置處,部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)主頻f最小幅值主要出現(xiàn)在0.98倍轉(zhuǎn)頻fn位置處。

4.2 展望

本文采用CFD技術(shù)進(jìn)行混流式水輪機(jī)三維全流道數(shù)值模擬,分析了額定水頭不同導(dǎo)葉開(kāi)度下的尾水管內(nèi)部流動(dòng)及壓力脈動(dòng)特性,后續(xù)可以針對(duì)水輪機(jī)最低水頭、最高水頭或設(shè)計(jì)水頭等不同水輪機(jī)運(yùn)行工況開(kāi)展內(nèi)部流動(dòng)及壓力脈動(dòng)研究。CFD數(shù)值模擬技術(shù)雖然可以便捷地開(kāi)展研究并拓寬研究范圍,避免昂貴的試驗(yàn)成本,但仍需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,可以采用電站實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與仿真模擬結(jié)果進(jìn)行相互驗(yàn)證的方式進(jìn)行水輪機(jī)相關(guān)問(wèn)題研究。